ДонНТУ   Портал магистров

Метейко Владимир Андреевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность Инфокоммуникационные технологии и системы связи

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИЙ

Научный руководитель: к.т.н., доц. Червинский Владимир Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Выбор технологии
• 4. Устройства сети
• 5. Общий вид подключений в сети
• 6. Моты
• 7. Задачи разработчиков подобных систем
• Выводы
• Список источников

Введение

В нынешнее время, в промышленности очень остро стоит проблема безопасного контроля производства. Контроль осуществляется определенными датчиками, к которым стоит некоторый ряд требований. Основные требования, это, в первую очередь, безопасность и возможность подключения всех датчиков в общую сеть. Беспроводные технологии в повседневной жизни применяются очень широко. Через Wi–Fi, 3G и 4G осуществляется доступ в Интернет, передача мультимедиа, в корпоративных сетях для телефонной связи пользуется DECT, для широких слоев населения – GSM–телефония. Уход от проводов дает массу преимуществ: быстроту и легкость развертывания, реструктуризацию и масштабируемость сетей, мобильность, уменьшение расходов на прокладку кабелей связи, общую эстетичность помещений, в которых больше не лежат спутанные провода.

Актуальность темы

В настоящее время область телекоммуникаций меняется с невероятной скоростью. С каждым днем появляются новые стандарты, устройства телекоммуникаций и сетей связи, новые подходы и требования качества обслуживания к оказанию телекоммуникационных услуг.Сегодня концепция Интернета Вещей – «тренд» сетей связи. Вектор исследований беспроводных сенсорных сетей (БСС), являющихся основой данной концепции, меняется с каждым днем. Пару лет назад основным направлением исследований БСС являлось увеличение жизненного цикла сети за счет протоколов маршрутизации, энергоэффективности узлов и балансировки нагрузки. В настоящее время так же остро стали проблемы с обеспечением требований к качеству обслуживания БСС, развитием топологий, технологии связи и принципы самоорганизации.а сегодняшний день узлы БСС обеспечивают продолжительное время функционирования – несколько лет (до 10 лет). Однако, планируя сеть на длительный период, невозможно быть абсолютно уверенным, что ее структура не изменится в будущем. Основной причиной потери функциональности является потеря связности сети. Связность сети характеризует возможность доставки данных от узла источника к получателю. Поэтому необходимо разработать модели БСС, позволяющие оценить связность сети (или потенциальные возможности ее обеспечения).

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является анализ возможностей беспроводной сети датчиков, нахождение и, по возможности, устранение проблем связанных с монтажом или эксплуатацией сети.

Основные задачи исследования:

• Поиск и выявление основных проблем на всех этапах развертывания и эксплуатации сети.
• Анализ выявленных проблем.
• Предложения по устранению, либо сглаживанию проблем.
• Оценка предложенных решений.

Объект исследования: беспроводная сенсоная сеть в условиях промышленных инфокоммуникаций

Выбор технологии

Большинство требований, предъявляемым к беспроводным промышленным сетям, достигаются благодаря использованию технологии Zig–Bee, которая имея невысокие скорости передачи данных и расстояния между узлами, обладает важными, с точки зрения применения в промышленности, преимуществами.

Технологии ZigBee изначально разрабатывались для создания надежных распределенных сетей датчиков и управляющих устройств с невысокими скоростями передачи данных. В этих технологиях реализована поддержка сетевой топологии mesh (ячеистой топологии), спящих и мобильных узлов, а также узлов, которые обеспечивают работу алгоритмов ретрансляции и самовосстановления. В таблице указана скорость 250 кбит/с – это максимальная пропускная способность сети. Полезная скорость будет порядка 30–40 кбит/с в пределах соседних узлов и 5–25 кбит/с при использовании ретрансляции. Для несложных датчиков этой пропускной способности вполне хватит для удовлетворения наших проблем.

В сетях ZigBee надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee–сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого–либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей. Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.

В сетях Bluetooth и Wi–Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз. И если он выйдет из строя, то обмен данными станет невозможным.

Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникла преграда на пути следования радиосигнала.

Другой отличительной чертой стандарта является возможность самовосстановления дееспособности сети в случае выхода из строя отдельных ее узлов. Это свойство основано на том, что каждый узел следит за своими соседями, постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности принятых от них сигналов. В результате, при изменении пространственного расположения соседей или выходе из сети одного из устройств, вычисляется новый маршрут следования сообщения. Это преимущество является исключительно важным в сетях, функционирующих на промышленных объектах в жестких условиях эксплуатации при наличии промышленных помех, а также в тех случаях, когда часть узлов находится на движущихся устройствах, например подвижных элементах станка.

Основные преимущества технологии Zig–Bee:

• Благодаря ячеистой (mesh) топологии сети ZigBee обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов в случаях обрыва.
• Спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных.
• Устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением.
• Сеть ZigBee – самоорганизующаяся,;
• устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость.
• Неограниченное покрытие

Модель OSI сети ZigBee включает в себя физический уровень, канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC, а также сетевой уровень NWK (NetWorK) и уровень приложений APL, состоящий из подуровня поддержки приложений (APplication Support sub–layer – APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object – ZDO) и объектов Application Objects, определяемых изготовителем ZigBee–устройств.




Сеть ZigBee – самоорганизующаяся, и ее работа начинается с формирования. Устройство, назначенное при проектировании координатором персональной сети (PAN координатор), определяет канал, свободный от помех, и ожидает запросов на подключение. Устройства, пытающиеся присоединиться к сети, рассылают широковещательный запрос. Пока PAN координатор – единственное устройство в сети, отвечает на запрос и предоставляет присоединение к сети только он. В дальнейшем присоединение к сети могут предоставлять также присоединившиеся к сети маршрутизаторы. Устройство, получившее ответ на широковещательный запрос, обменивается с присоединяющим устройством сообщениями, чтобы определить возможность присоединения. Возможность определяется способностью присоединяющего маршрутизатора обслужить новые устройства в дополнение к ранее подключенным.

Устройства сети

Сеть на базе технологии Zig–Bee включает 3 типа устройств: Координатор (COO) – устройство, которое организует сеть. Участвует в процессе мониторинга и маршрутизации трафика, а также является одновременно доверительным центром (trust–центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает параметры во время подключения устройства к сети. Всегда находится в активном режиме, из–за чего устройство должно быть подключено к стационарному источнику питания.

Роутер (FFD) — это узел, который имеет стационарное питание и следовательно может постоянно участвовать в работе сети. Координатор также является роутером. На узлах этого типа лежит ответственность по маршрутизации сетевого трафика. Роутеры постоянно поддерживают специальные таблицы маршрутизации, которые используются для прокладки оптимального маршрута и поиска нового, если вдруг какое–либо устройство вышло из строя. Например, роутерами в сети ZigBee могут быть умные розетки, блоки управления осветительными приборами, датчики влажности или температуры, или любое другое устройство, которое имеет подключение к сети электропитания.

Перечисленные устройства выступают в качестве родительских узлов для конечных устройств. Максимальное число дочерних узлов у роутера или координатора может достигать 32. Родительские устройства отвечают за прием и хранение сообщений для конечных устройств, которые подключены к ним. Конечные устройства, в свою очередь, общаются с сетью через родителей. Каждый раз, когда новое конечное устройство подключается к сети, или же когда старое переподключается, для него определяется родитель, который делает запись в специальной таблице дочерних устройств. В этой таблице хранится короткий и длинный адрес дочернего узла и его тип.

Спящее конечное устройство (SED) — это устройство, которое подключается к сети через родительский узел – роутер или координатор – и не участвует в маршрутизации трафика. Все общение с сетью для них ограничивается передачей пакетов на «родительский» узел либо считыванием поступивших данных с него же. «Родителем» для таких устройств может быть любой роутер или координатор. Конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и отправляют управляющее или информационное сообщение обычно только по определенному событию, например нажатие кнопки, запуск станка, простое открытие двери, либо просто с определенной частотой во времени. Это позволяет им долго сохранять энергию встроенного источника питания. Примером конечных устройств в сетях ZigBee могут быть беспроводные выключатели, управляющие работой светильников и работающие от батареек, датчики протечки воды, датчики давления, запыленности.



Рисунок 3 – Схематичное расположение устройств

Общий вид подключений в сети

Управляющие модули устанавливаются на корпусе механизмов или в непосредственной близости от них. Связь с центральным контроллером осуществляется по радиоканалу, что автоматически обеспечивает гальваническую изоляцию между модулями. Применение же радиоканала для связи с пультом оператора позволяет сделать его мобильным с автономным питанием. При этом длина кабельных линий минимальна. Другим немаловажным преимуществом распределенной системы является высокая живучесть, так как при выходе из строя одного из управляющих модулей неработоспособной оказывается лишь небольшая часть системы. При подобной организации системы центральный процессор может обладать меньшими вычислительными мощностями, а, следовательно, быть доступнее, дешевле и иметь меньшие массогабаритные размеры.



Рисунок 4 – Пример распределенной беспроводной системы управления

Моты

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно–коммуникационных устройств — мотов (от англ. motes — пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память — флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого–цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных.



Рисунок 5 – Мот

Коммуникационные функции моты осуществляют по принципам Ad–hoc сетей ? децентрализованных беспроводных сетей, не имеющих постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются «на лету», образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные, предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети.



Рисунок 6 – TinyOS

Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS ТinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом. TinyOS — это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии.

Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями мотов не так–то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Необходимо учитывать, что из–за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое–то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.

Задачи разработчиков подобных систем:

• При использовании в системах распределенного микропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков подбор конфигурации отдельных узлов сети должен производиться с учетом минимизации их энергопотребления и процессорных ресурсов.
• Возможность организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных на текущий момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое должно автоматически определяться на аппаратном уровне.
• Обеспечение масштабируемости – должен быть предусмотрен автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел.
• Должна быть предусмотрена возможность выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах с целью гарантирования высокой надежности сети

Выводы

Таким образом, задача проектирования беспроводной сети для условий промышленного предприятия является сложной многокритериальной задачей, оптимальное решение которой требует применения методов оптимизация, в том числе, основанных на интеллектуальных информационных технологиях.

Список источников

1. Дианов И., Яманов А. Комплексные решения по GPRS–связи в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации // «Беспроводные технологии». 2010 324 c.
2. Радке, Хорст–Дитер Все о беспроводных сетях / Хорст–Дитер Радке , Йеремиас Радке. – М.: НТ Пресс, 2011. – 320 c.
3. Соколов, А.В. Защита информации в распределенных корпоративных сетях и системах / А.В. Соколов, В.Ф. Шаньгин. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 656 c.
4. Хабрейкен, Джо Домашние беспроводные сети / Джо Хабрейкен. – М.: НТ Пресс, 2014. – 400 c.
5. Расстригин, Л.А. Вычислительные машины, системы, сети… / Л.А. Расстригин. – М.: Наука, 2015. – 224 c.
6. Трусов, Александр Беспроводные сети в Windows / Александр Трусов. – М.: Питер, 2013. – 128 c.
7. Свами, М. Графы, сети и алгоритмы / М. Свами, К. Тхуласираман. 2013. – 409 c.
8. Беспроводные сети Wi–Fi. – М.: Интернет–университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2013. – 216 c.
9. Росс, Д. Беспроводная компьютерная сеть Wi–Fi своими руками (+ CD–ROM) / Д. Росс. – М.: Наука и техника, 2015. – 384 c.
10. Ватаманюк, А. И. Беспроводная сеть своими руками / А.И. Ватаманюк. – М.: Книга по Требованию, 2011. – 194 c.
11. Колисниченко, Д. Беспроводная сеть дома и в офисе / Д. Колисниченко. – М.: БХВ–Петербург, 2015. – 997 c.
12. Брэгг, Р. Безопасность сетей: полное руководство / Р. Брэгг, М. Родс–Оусли, К. Страссберг. – М.: Эком, 2015. – 912 c.
13. Кюнель Samba: интеграция Linux/Unix–компьютеров в сети Windows / Кюнель, Йенц. – М.: Мн: Новое знание, 2012. – 399 c.
14. Рассел, Джесси Безопасность в беспроводных самоорганизующихся сетях / Джесси Рассел. – М.: VSD, 2012. – 274 c.
15. Новиков, Ю.В. Аппаратура локальных сетей: функции, выбор, разработка / Ю.В. Новиков, Д.Г. Карпенко. – М.: Эком, 2011. – 288 c.
16. Шубин, В. И. Беспроводные сети передачи данных / В.И. Шубин, О.С. Красильникова. – М.: Вузовская книга, 2013. – 104 c.
17. Майника, Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах / Э. Майника. – М.: [не указано], 2012. – 334 c
18. Сергеев, Александр Беспроводная сеть в офисе и дома / Александр Сергеев. – М.: Питер, 2014. – 208 c.
19. Мерритт, М. Безопасность беспроводных сетей / М. Мерритт. – М.: Книга по Требованию, 2015. – 282 c.
20. Гайер, Дж. Беспроводные сети. Установка и устранение неполадок за 5 минут / Дж. Гайер, Э. Гайер, Дж.Р. Кинг. – М.: НТ Пресс, 2015. – 176 c.
21. Гайер, Дж. Беспроводная сеть за 5 минут. От выбора оборудования до устранения любых неполадок / Дж. Гайер, Э. Гайер, Дж.Р. Кинг. – М.: НТ Пресс, 2012. – 176 c.
22. Яманов A. Технология развертывания локальных беспроводных радиосетей ZigBee в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации / А.Д. Яманов, Д. А. Алевский, А. Е. Плеханов. «ИСУП». 2011. № 6 (36). 248 с.
23. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф–схемы и автоматы) / С.И. Баранов. – Л.: Энергия, 1979. – 232 с.
24. Иваненко В. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 1) / В.А. Иваненко, А.Н. Зеленин. Восточно–Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – 381 с.
25. Palnitkar S. Verilog HDL. A guide to digital design and synthesis / S. Palnitkar. – SunSoft Press, 1996. – 396 pp.
26. Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики / Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов. – СПб.: БХВ–Петербург, 2002. – 608 с.
27. Максфилд К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца / К. Максфилд. – М.: Издательский дом «Додэка–XXI», 2007. – 408 с.
28. Grout I. Digital systems design with FPGAs / I. Grout. – Elsevier, 2008. – 724 pp.
29. Zeidman B. Designing with FPGAs and CPLDs / B. Zeidman. – Elsevier, 2002. – 224 pp.